Contents
xiii
9
Bioenergetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
9.1
Biology and Energy Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
9.2
Thermodynamics Applied to Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
9.3
Definition of Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
9.4
Definition of Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.5
Heat Transfer Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
9.6
Life Under Extremes of Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
9.7
Temperature Regulation in Humans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
9.8
Basal Metabolic Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
9.9
An Introduction to Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
9.10
The Laws of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
9.11
The Thermodynamic Entropy of a System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
9.11.1
Equations of State for an Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
9.11.2
Gibbs–Duhem Relations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
9.12
Entropy Maximum and Energy Minimum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
9.13
Free Energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
9.13.1
Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
9.13.2
Helmholtz Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
9.14
Summary of laws of thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
9.14.1
Entropy Maximum from the Second Law . . . . . . . . . . . . . . 362
9.14.2
Energy Minimum from the Second Law. . . . . . . . . . . . . . . . 363
9.15
Utility of the Gibbs Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
9.16
Maxwell Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
9.17
Pressure in Multistate and Multicomponent Systems . . . . . . . . . . . . . 368
9.18
Vapor Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
9.19
Osmosis and Osmotic Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
9.20
Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
9.20.1
Diffusion Across Alveolar Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
9.20.2
Active Transport Across Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
9.21
Biochemical Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
9.21.1
Equilibrium of Chemical Reactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
9.21.2
Suppressing Constant Concentrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
9.21.3
Membrane Dynamics and Active Transport . . . . . . . . . . . . 404
9.21.4
ATP Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
9.22
Metabolic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
9.22.1
Process Efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
9.23
Non-equilibrium Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
9.23.1
Near-Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
9.23.2
Flows Near Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
9.24
Irreversible Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
9.25
On the Evolution of Driven Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
9.26
Some Applications in Medical Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
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Bioenergetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
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Biology and Energy Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
9.2
Thermodynamics Applied to Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
9.3
Definition of Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
9.4
Definition of Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.5
Heat Transfer Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
9.6
Life Under Extremes of Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
9.7
Temperature Regulation in Humans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
9.8
Basal Metabolic Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
9.9
An Introduction to Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
9.10
The Laws of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
9.11
The Thermodynamic Entropy of a System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
9.11.1
Equations of State for an Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
9.11.2
Gibbs–Duhem Relations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
9.12
Entropy Maximum and Energy Minimum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
9.13
Free Energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
9.13.1
Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
9.13.2
Helmholtz Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
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Summary of laws of thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
9.14.1
Entropy Maximum from the Second Law . . . . . . . . . . . . . . 362
9.14.2
Energy Minimum from the Second Law. . . . . . . . . . . . . . . . 363
9.15
Utility of the Gibbs Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
9.16
Maxwell Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
9.17
Pressure in Multistate and Multicomponent Systems . . . . . . . . . . . . . 368
9.18
Vapor Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
9.19
Osmosis and Osmotic Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
9.20
Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
9.20.1
Diffusion Across Alveolar Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
9.20.2
Active Transport Across Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
9.21
Biochemical Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
9.21.1
Equilibrium of Chemical Reactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
9.21.2
Suppressing Constant Concentrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
9.21.3
Membrane Dynamics and Active Transport . . . . . . . . . . . . 404
9.21.4
ATP Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
9.22
Metabolic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
9.22.1
Process Efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
9.23
Non-equilibrium Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
9.23.1
Near-Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
9.23.2
Flows Near Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
9.24
Irreversible Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
9.25
On the Evolution of Driven Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
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Some Applications in Medical Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416